摘 要

近些年来，基于日益突出的环境和能源问题，在汽车排放和燃油消耗率方面世界各国都相继提出了越来越严格的要求。涡轮增压缸内直喷技术（TGDI）已经成为汽油机节能的有效手段，但是随之产生的超级爆震成为了进一步提高功率密度的主要障碍（尤其是在低速大负荷工况下）。虽然早燃和超级爆震是两种不同的非正常燃烧现象，但是国内外研究均表明超级爆震是由早燃引起的。因此，探寻高效的解决方法便成为了国内外学者和汽车制造商的头号问题。

本文主要围绕上述问题，结合Fire软件和国内外文献资料，分析了早燃、爆震和超级爆震的关系，粗略研究了超级爆震的两个基本问题，即导致超级爆震的早燃成因以及早燃演变为超级爆震的机理，发现能够引发超级爆震的早燃是非结构热点引发的，同时主要的形成原因是机油和沉积物。同时通过LES分析了发动机的定量爆震燃烧，发现LES能够预测几个火花正时的缸内压力变化性，爆震发生频率和平均爆震开始曲柄角。得出爆震主要是发生在在排气阀侧的结论。另外，通过建立模型并进行模拟燃烧，能够较为直观的观察到缸内混合气流场分布、温度场分布情况。最终根据结果可以修改发动机模型参数，进而改进缸内燃烧情况，避免早燃的发生。

关键词：涡轮增压缸内直喷；早燃；超级爆震；LES

Abstract

In recent years, all the countries around the world have increasingly focused on increasingly prominent environmental and energy issues. More and more strict requirements for car emissions and fuel consumption are raised. The turbocharged cylinder (TGDI) has become an effective means of energy saving for gasoline engines. But super-knock is the main obstacle to further increases in power density (especially under low load conditions). Although pre-ignition and super-knock are two different abnormal combustion phenomena, both domestic and foreign studies show that the super-knock is caused by pre-ignition. As a result, the search for efficient solutions has become the number one problem for both domestic and international scholars and automakers.

In this paper, using Fire and domestic and foreign literature，the relationship between pre-ignition, detonation and super-knock was analyzed. In this paper, two basic problems of super-knock were studied, too. They are the mechanism of the pre-ignition and the cause of pre-ignition to the super-knock. It found that pre-ignition which could trigger a super-knock, was caused by non-structural hot spots, such as oil and sediment. At the same time the quantitative detonation combustion engine were analyzed by using LES. It found that LES can predict cylinder pressure variability in several spark timing, detonation frequency and average detonation started to crank Angle. It concludes that the detonation is mainly based on the side of the exhaust valve. In addition, by establishing the model and simulating the combustion, the distribution of air flow field and temperature distribution in the cylinder can be observed. Finally, modified the engine model parameters and improved the combustion in the cylinder will be easy according to the result. It is also easy to avoid the occurrence of pre-ignition.

Key Words：Turbocharged direct injection；Pre-ignition；Super-knock；LES

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2 研究内容及方法 2

1.3 本章小结 3

第二章 早燃、爆震及超级爆震关系 4

2.1 早燃、爆震及超级爆震定义 4

2.2早燃、爆震及超级爆震关系 4

2.2.1 早燃和爆震的关系 4

2.2.2爆震和超级爆震的关系 5

2.2.3 早燃和超级爆震的关系 5

2.3 本章小结 6

第三章 早燃的特点及机理研究 7

3.1 爆震前早燃的诱发机制 7

3.2 引起早燃的原因 8

3.2.1 机油 9

3.2.2 沉积物 10

3.2.3 其他因素 11

3.3 解决方案 11

3.3.1 气道的优化 11

3.3.2 燃烧室的优化 12

3.4本章小结 13

第四章 超级爆震特点及机理研究 14

4.1 超级爆震的产生机理 14

4.2 LES预测和爆震燃烧分析 15

4.2.1 模型的修改 15

4.2.2 实验配置与数值设置 16

4.2.3 结果分析 17

4.3模型的分析 19

4.3.1 FIRE的CFD计算基本流程 19

4.3.2计算结果分析 20

4.4本章小结 24

第五章 总结与展望 25

5.1 总结 25

5.2 研究展望与不足 25

参考文献 26

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

近些年来，中国的汽车汽油和柴油消费量已占到全国汽油和柴油消费总量的55﹪左右^[1]。依照最新的《轻型商用车辆燃料消耗量限值》标准规定，确定了轻型商用车辆燃料消耗量新的评价参数，并严格限制了燃料消耗的极限。该标准是2016年1月20日国家标准委发布新修订的强制性国家标准，预计将于2018年1月1日正式实施。新标准中规定，轻型货车（即N1类车型）汽油燃料消耗量限值最低为5.5L/100km、柴油车型燃料消耗量最低下限为5.0L/100km；最大设计总质量不超过3500kg的轻型客车（即M2类汽油车型）燃料消耗量限值最低为5.0L/100km、柴油车型燃料消耗量限值最低为4.7L/100km。与《GB20997—2007轻型商用车辆燃料消耗量限值》相比，上述四种燃料消耗量限值分别加严了23%、27%、18%、18%。以整车整备质量在1090～1205千克之间、汽油为燃料的N1类车为例，新标准规定每百公里燃油消耗量不得超过6.7升^[2]。因此，综合考虑能源供应、环境保护和和谐汽车社会等方面所带来的压力，如何控制汽车的燃油消耗便是重中之重。

提升汽油机效率有多种方法，其中缸内直喷技术拥有较为显著的效果。相比传统的进气道喷射汽油机，缸内直喷技术具有更好的优势。油耗量较低、升功率大、压缩比高、控制灵活和与同排量的一般发动机相比功率与扭矩都提高了10%等，这些都使得近些年来缸内直喷技术已经成为汽油机发展的主流方向。随着增压小排量技术的面世，两者相结合之后使得最大扭矩和功率均可以达到大排量自然吸气汽油机的水平（见图1.1）。涡轮增压小排量汽油机和整车匹配后，能使发动机运行区域向高负荷区域移动。在同等的汽车行驶的使用工况下，采用增压小排量技术的发动机负荷率会得到相对的提高，燃油经济性也能得到进一步的改善。因此，直喷喷射和小排量技术是实现汽油机节能的重要途径之一^[3-5]。